Введение к работе
Актуальность темы. Развитие лазерной физики в течение последних десятилетий привело к формулировке принципиальных проблем, связанных с сильно нелинейными процессами, таких, как рождение стохастического, турбулентного поведения и возникновения детерминированных пространственных и временных структур в нелинейных диссипативных системах.
При использовании сред с большой константой нелинейности, ярким примером которых являются жидкие кристаллы (ЖК), отмеченные процессы стали доступны для реализации в нелинейной оптике в сравнительно слабых лазерных полях. Поэтому одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время является изучение поведения ЖК системы в области пространственно-временных неустойчи-востей (в том числе фазовых переходов (ФП)). Здесь речь идет об использовании нестационарных и стохастических волновых процессов, возникающих при распространении света в среде с большой нелинейностью и существенной нелокальностью отклика. Во-первых, это способствует более глубокому пониманию традиционных для нелинейной оптики эффектов самовоздействия света, таких как самофокусировка, динамическая самодифракция и других. Во-вторых, позволяет осуществить разнообразные и удобные модели для детального изучения отмеченных выше процессов стохастизации и самоорганизации нелинейных диссипативных систем. В этом плане важно также, что волновые взаимодействия в ЖК проявляют принципиально новые физические свойства благодаря одновременному действию и конкуренции различных механизмов нелинейности.
В настоящее время выполнено большое число интересных работ по ориентационной оптической нелинейности ЖК. Экспериментально осуществлены самофокусировка света, вынужденное рассеяние, обращение волнового фронта (ОВФ), управление света светом, лазерно-индуцированные процессы, приводящие к хаосу, формирование пространственных структур. Прежде всего здесь должны быть отмечены широкие возможности, которые открывают ЖК для детальных исследований временного развития сильных нелинейно-оптических явлений, включая количественную картину перехода к оптической турбулентности - хаосу. Экспериментальный аспект таких исследований -один из главных пунктов на современном этапе изучения этого универсального состояния нелинейной системы.
Сравнительно недавно теоретически было показано, что достаточно совершенно ничтожного поглощения для того, чтобы световой пучок в среде выделил энергию, необходимую для переориентации директора ЖК. В этих работах теоретически показано, что, если удастся найти подходящий механизм, трансформирующий поглощенную
.інергию в изменение показателя преломления, то нелинейности, обусловленные поглощением, могут оказаться гораздо сильнее всех известных ранее «динамических» нелинейностей. Сущность предложенных механизмов заключается в возбуждении гидродинамических движений в ЖК световыми полями. Поскольку молекулы ЖК очень чувствительны к потокам, то указанные механизмы оказываются очень сильными. Здесь следует отметить, что гидродинамические потоки можно возбудить также многообразными несветовыми возмущениями, такими как акустические волны, сейсмические колебания, градиенты температуры или давления и др. При таких возмущениях в ЖК появляются ориентационные неустойчивости, пороги которых оказываются на несколько порядков ниже, чем при аналогичных неус-тойчивостях в изотропных жидкостях. Более того, некоторые эффекты я изотропных жидкостях принципиально не могут существовать (такие как, например, термомеханические).
Конкретизация всех этих эффектов, выяснение условий их появления и требований к параметрам ЖК, при которых эти режимы могут быть реализованы в эксперименте - необходимый в настоящее время этап исследований. Очень интересны в связи с этим гидродинамические эффекты в ЖК. В частности, возникающие в нематиче-ских ЖК (НЖК) гидродинамические «домены» могут быть рассмотрены с точки зрения образования периодических структур при переходе к динамическому хаосу.
Цель работы. Целью диссертационной работы являлось обнаружение и экспериментальное исследование новых ориентационных, гидродинамических, акустогидродинамических и светогидродинами-ческих явлений в ЖК, связанных с ними новых механизмов кубических ориентационных нелинейностей, а также экспериментальное исследование поведения некоторых нелинейно-оптических эффектов в области фазовых переходов и индуцированных внешними воздействиями неустойчивостей.
Научная новизна. Научная новизна работы определяется следующим комплексом выполненных впервые экспериментальных и теоретических работ:
-
Экспериментально исследованы пороговые и спектральные характеристики лазерной генерации и суперлюминесценции красителя в ЖК в области температурного фазового перехода. Обнаружена и исследована генерация лазерного излучения в квазиволноводном анизотропном слое НЖК с примесными молекулами красителя.
-
Впервые экспериментально и теоретически исследовано поведение ориентационной оптической нелинейности при вол-
новых взаимодействиях в ЖК вблизи порога возбуждения различных неустойчивостей (полевых и бесполевых).
-
Впервые экспериментально исследованы нелинейно-оптические свойства границы раздела НЖК с фотополупроводниковой пленкой, обладающей эффектом аномального фотонапряжения (АФН).
-
Впервые экспериментально исследован эффект нелинейного отражения (пропускания) света при облучении слоя холе-стерического ЖК (ХЖК), обладающего периодической пространственной структурой, маломощным (мВт) лазерным излучением. Обнаружены оптически бистабильные режимы и ос-цилляционный по времени переход в стационарное состояние.
-
Впервые обнаружены и исследованы неустойчивости, возникающие при светоиндуцированной переориентации неоднородно ориентированных ЖК, когда в среде распространяются две волны с ортогональными поляризациями, между которыми осуществляется энергообмен и конкуренция благодаря нелинейности среды.
-
Впервые экспериментально и теоретически исследованы неустойчивости и стохастичность при светоиндуцированных ориентационных эффектах в НЖК-капилляре с радиальной начальной ориентацией директора.
-
Впервые осуществлены фотополимеризация и «замораживание» ориентационных структур, наведенных в результате волнового взаимодействия лазерного излучения в жидкокристаллической фотополимеризующейся композиции (ЖФПК).
-
Впервые обнаружен эффект светогидродинамической (СГД) переориентации НЖК, обусловленный прямым объемным расширением. Экспериментально зарегистрированы и изучены гистерезисные явления при СГД переориентации директора НЖК.
-
Впервые экспериментально обнаружено возбуждение светоиндуцированной гидродинамики в системе «НЖК — дихроич-ный краситель» и исследованы возникающие при этом явления конвективной неустойчивости и осцилляции в поле одномодо-вого лазерного пучка (с гауссовым профилем).
-
Впервые получена и исследована конвекция в жидкостях и ЖК, обусловленная давлением второго приближения акустической волны. Возбуждены регулярные конвективные движения в ЖК акустической волной.
-
Впервые экспериментально обнаружены и исследованы регулярные конвективные движения в горизонтальном слое ЖК в поле светового излучения с пространственно-периодической структурой распределения интенсивности.
12. Впервые экспериментально зарегистрированы и исследованы поверхностные термокапиллярные волны при облучении слоя НЖК с открытой поверхностью световым излучением с пространственно периодическим распределением интенсивности (они возникают при весьма умеренном значении плотности мощности световых волн ~ Вт/см2). Использование светового поля при этом позволяет плавно управлять параметрами термокапиллярных волн.
13.Впервые экспериментально реализовано и исследовано ОВФ звука на поверхности ЖК вблизи температуры термодинамического ФП. Экспериментально исследовано влияние принудительной конвекции на эффект ОВФ.
14.Впервые экспериментально обнаружен и исследован термомеханический эффект в гибридно ориентированном и цилиндрически гибридном НЖК.
15.Впервые экспериментально получены и исследованы термомеханические эффекты, индуцированные внешними полями (световыми и несветовыми).
Практическая ценность. Важнейшее практическое применение результатов работы связано с устройствами отображения информации, оптически управляемых транспорантов и других тонкопленочных устройств для управления и преобразования лазерного излучения. Полученные результаты могут быть использованы для реализации и изучения нелинейно-оптических явлений с помощью маломощных лазеров непрерывного действия, для создания тонкослойных малоэнергоемких устройств управления света светом, для создания сверхчувствительных сейсмических датчиков, измерителей скорости изменения температуры, для визуализации акустических полей милливатных мощностей, ОВФ световых и акустических волн, для записи и хранения оптической информации, для создания оптических логических элементов. По всем перечисленным пунктам имеются лабораторные экземпляры приборов. В 1989 году нами было получено авторское свидетельство СССР по приемнику инфракрасного излучения; в 1995 году получено авторское свидетельство Республики Армения по работе «Сейсмометр».
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на X, XI, XII, XIV, XV и XVI международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Киев, 1980; Ереван, 1982; Минск, 1988; Ленинград, 1991; Санкт-Петербург, 1995; Москва, 1998); на Всесоюзном совещании "Электрооптика границы раздела жидкий кристалл - твердое тело", Москва, 1985; на международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых
структурах, Новосибирск, 1986; на Всесоюзном семинаре "Оптика жидких кристаллов", Москва, 1987; на III Советско-американском симпозиуме по лазерной оптике конденсированных сред, Ленинград, 1987; на V Всесоюзной конференции «Оптика лазеров», Ленинград, 1987; на международных конференциях «Lasers' 89», USA, 1987; «Lasers' 94», USA, 1994; «Лазерная физика 95», Аштарак 1995; «Lasers' 97», USA, 1997; «Lasers' 99», Quebec, Canada, 1999; «Lasers'2000»,USA; на Всесоюзной школе по пикосекундной технике, Ереван, 1988; на Европейской конференции «Lasers and Elektro-optics» (CLEO), Amsterdam, 1994; на VII международной конференции «Optics of LC», Germany, 1997; «Conversion Potential of Armenia and ISTS Programs», Yerevan,2000; «Chaos and super-computers 2000»,Arrnenia, 2000; а также на научных семинарах физического факультета МГУ (1987, 1989); Института Общей физики АН СССР (1988); Института Физики АН Украины (1990); Физического факультета СГУ, Симферополь, 1990 и др...
Кроме того, основные результаты работы докладывались на научных семинарах физического факультета ЕГУ и многократно на научных семинарах кафедры оптики ЕГУ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 53 работах (35 статьях и 18 тезисах международных конференций), перечень которых приведен в конце автореферата. Получены авторские свидетельства на изобретение «Сейсмометр» и «Приемник инфракрасного излучения». Полный список печатных работ с участием автора включает более чем 60 наименований. Материалы диссертации основаны на экспериментальных работах, выполненных на кафедре оптики физического факультета ЕГУ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 293 страницах основного машинописного текста, включая 86 рисунков, состоит из введения, четырех глав, трех приложений и заключения. Имеется список литературы, включающий 233 наименования цитированных литературных источников.
